用于质子交换膜水电解的铂高效高熵合金异质结

《Chem Catalysis》：Pt-efficient high-entropy alloy heterojunctions for proton exchange membrane water electrolysis

　　

更广阔的视角

电化学水分解是低碳制氢的一条有前景的途径，但Pt基阴极催化剂的成本和耐久性仍然是质子交换膜水电解（PEMWE）的重要制约因素。在此，通过碳热冲击法制备了Pt_xCoFeNiCu-CFO（CoFe₂O₄）异质结催化剂，将含Pt多元合金与尖晶石CFO在低Pt负载下结合。优化后的Pt_0.05CoFeNiCu-CFO仅含0.74 wt% Pt，在10 mA cm^?2下过电位为6.7 mV，在500 mA cm^?2下运行超过1700小时，电池电压从1.89 V增至1.96 V。电化学数据和密度泛函理论（DFT）计算表明，界面耦合改变了氢的吸附/脱附和传输行为，而石墨烯包覆和界面键合可能有助于Pt的保留。事后表征表明，含Pt相在运行过程中发生了部分重构；因此，器件结果应解释为较强的运行耐久性，而非初始高熵合金（HEA）结构的完全保留。这项工作为PEMWE阴极提供了一种Pt高效异质结构策略，并揭示了为何应将多元溶解和界面分辨测量纳入耐久性评估。

亮点

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通过碳热冲击法合成了含0.74 wt% Pt的高熵异质结

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Pt_0.05CoFeNiCu-CFO在酸性析氢反应中仅需6.7 mV即可达到10 mA cm^?2

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该催化剂在PEMWE电池中于500 mA cm^?2下运行超过1700小时

摘要

在保持耐久性的同时减少Pt用量，仍是质子交换膜水电解（PEMWE）面临的主要挑战。在此，我们报道了通过碳热冲击合成形成的PtCoFeNiCu-CoFe₂O₄异质结，其相演化由Pt含量和热解温度决定。优化后的催化剂仅含0.74 wt% Pt，在酸中析氢反应达到10 mA cm^?2仅需6.7 mV的过电位。电化学测量和密度泛函理论计算表明，该异质结改变了质子吸附，促进了界面氢传输，并促进了H₂脱附。在PEMWE单电池中，该催化剂在500 mA cm^?2下运行超过1700小时，在相同Pt负载下优于Pt/C。原位电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）测量显示，与单相合金参比样相比，Pt、Co、Fe、Ni和Cu的溶解减少。这些结果确立了高熵合金-氧化物异质结作为耐久、Pt高效PEMWE阴极的有前景策略。

图文摘要